含脱层复合材料圆柱壳的振动模态试验分析

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(中国舰船研究与设计中心，武汉 430064)

复合材料层合板壳结构以优良的特性被工程界普遍采用，已成为舰船、手中兵器、航空航天等工程中常用的基本结构形式之一。对复合材料结构，特别是含有脱层缺陷的结构进行振动模态理论及试验研究是非常有意义的[1-5]。文中对含有脱层缺陷的复合材料层合圆柱壳不同铺设角度，脱层形式以及脱层大小进行了振动与模态试验。

1 振动试验

1.1 试验系统

图1为模拟在自由边界条件下的复合材料圆柱壳振动模态的试验系统，系统由复合材料圆柱壳试件、激励系统、信号采集系统(B&K)、信号分析系统(B&K)以及计算机等组成。

1-悬吊弹簧；2-玻璃铜圆柱壳试件；3-力锤；4-加速度传感器图1 测量系统示意图

1.2 试验模型

试验中复合材料圆柱壳由高强缎纹玻璃纤维布和3201树脂加入固化剂，触变剂、偶联剂等辅料制成，共7件。其几何参数及脱层形式见表1。

表1 试件的几何参数及脱层形式

1.3 测量模型网格划分

在试验前，对每个试件进行网格划分，沿轴向7个点，周向21个点，共147个点，每个节点作为力锤敲击点，选取若干点为加速度传感器测量点。测试试件及试件网格见图2，布层均为6层。

图2 网格划分示意图

1.4 测试信号

图3列举了实验中试件4#的测试信号，4#试件布置了2个加速度传感器,表示的是力锤产生的激励信号，由通道1采样而得。在实验中引入力窗函数，是为了在进行信号采样及数据处理时，尽量减小干扰信号的引入以及控制力锤敲击力的大小和采样时间。

图3 力锤信号和响应信

图4为4#试件测得的由分析软件ME′scopeVES生成的频响函数实频曲线和虚频曲线，即柏德图。柏德图中的虚频曲线的峰值对应于固有频率。利用虚频和实频曲线的峰值可以计算出阻尼系数。同时也可以确定有无反共振点。

图4 频响函数的实频、虚频图

2 测试结果

图5为1#试件前6阶振型，图中的模态可以很好地识别出来，较真实地反映了试件的振动特性。

图5 1#试件前6阶模

数值计算结果与试验结果列于表2。表中空格为试验无法识别的模态。从表2中可以看出，当轴向半波数m=0时，有限元计算值与试验值有很好的吻合，最大误差只有7.27%。而当轴向半波数m=1时，两者之间有很大的误差。

3 结论

1) 当模型轴向半波数m=1时测试结果和有限元结果相差很大，这是因为试验和计算中的模型边界条件有差异。复合材料试件的刚度小，质量轻，特别是在试验过程中，用弹簧绳将试件自由悬挂，对试件径向有预应力，使得频率减小。

表2 试验值与计算值的比较

2) 从前3个试件来看，对单层为各项同性材料的正交铺层方式的圆柱壳来说，铺层角度越大，总体刚度越小，第一阶模态频率越小。

3)从4#、5#、7#试件看，各阶模态频率相比，脱层缺陷大的频率较小。

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